康普頓型自由電子激光中N光子散射的理論研究

康普頓型自由電子激光中N光子散射的理論研究自由電子激光自1977年誕生以來(lái),在理論和實(shí)驗(yàn)上都得到了飛速的發(fā)展。光場(chǎng)與自由電子的相互作用是自由電子激光產(chǎn)生的核心問(wèn)題。隨著強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展,超強(qiáng)場(chǎng)等極端條件得以實(shí)現(xiàn),在這些極端條件下,非線性現(xiàn)象明顯起來(lái)。多光子與自由電子的散射就是一種非線性現(xiàn)象,它是不同于通常的Compton散射的一種光場(chǎng)與自由電子相互作用的新機(jī)制,作用過(guò)程吸收多個(gè)光子,發(fā)射一個(gè)新光子。本論文主要從兩種作用模型來(lái)研究康普頓型自由電子激光中的N光子散射問(wèn)題:一是在光場(chǎng)強(qiáng)度還不是很強(qiáng)時(shí),不考慮光場(chǎng)強(qiáng)度的n光子集團(tuán)模型,這一模型中n個(gè)光子全部被吸收,研究的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)微擾論方法;二是計(jì)及光場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)場(chǎng)非線性作用,這一作用過(guò)程從光場(chǎng)中吸收部分光子,研究的方法是將光場(chǎng)看做外場(chǎng)的半經(jīng)典方法。本論文從以上兩個(gè)模型出發(fā),研究N光子散射的微分散射截面特性和能量轉(zhuǎn)化特性,采用Matlab編程,進(jìn)行數(shù)值分析。全文內(nèi)容共分五章:第一章是緒論,介紹自由電子激光的發(fā)展歷程、當(dāng)前面臨的課題以及應(yīng)用前景,概述多光子現(xiàn)象的發(fā)展及研究現(xiàn)狀,引出康普頓型自由電子激光中的N光子散射問(wèn)題。第二章采用n光子集團(tuán)模型,探討n光子集團(tuán)Compton散射的散射光頻率、電子能量變化及微分散射截面特性。利用標(biāo)準(zhǔn)微擾理論推導(dǎo)出電子靜止參考系下n光子集團(tuán)Compton散射的微分散射截面表達(dá)式,并得出雙光子集團(tuán)Compton散射的微分散射截面與散射角的具體關(guān)系。利用相對(duì)論變換,對(duì)實(shí)驗(yàn)室參考系下的雙光子集團(tuán)Compton散射的微分散射截面和電子能量的平均變化值進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明:一般來(lái)說(shuō),n光子集團(tuán)Compton散射的散射光頻率、電子能量變化及微分散射截面都與方位角有關(guān);n光子集團(tuán)Compton散射的微分散射截面與光子數(shù)密度的(n-1)次方成正比;對(duì)于高能電子的雙光子集團(tuán)Compton散射,給定電子能量時(shí),電子運(yùn)動(dòng)方向與光子入射方向的初始夾角存在一個(gè)最佳值使得在電子初始運(yùn)動(dòng)方向很小弧度的錐角范圍內(nèi)得到最大峰值強(qiáng)度的散射光,并且存在一個(gè)臨界值,如果初始夾角大于這個(gè)臨界值則電子的能量轉(zhuǎn)化成光能,如果初始夾角小于這個(gè)臨界值則光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。第三章介紹自由電子在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的量子電動(dòng)力學(xué)理論,并介紹處理電子在外場(chǎng)中發(fā)射光子問(wèn)題的半經(jīng)典方法。第四章采用半經(jīng)典方法,分析圓極化強(qiáng)平面電磁波場(chǎng)中的n光子非線性Compton散射的電子能量變化及微分散射截面特性。數(shù)值分析低頻極限下的電子能量變化及微分散射截面的角分布情況,以及與光場(chǎng)強(qiáng)度、電子能量的關(guān)系,分析背散射(電子與光子對(duì)撞的散射)的頻譜分布。結(jié)果表明:利用n光子非線性Compton散射產(chǎn)生短波光子,必須要選擇適當(dāng)?shù)墓鈭?chǎng)強(qiáng)度;對(duì)于給定電子能量、光場(chǎng)強(qiáng)度和吸收光子數(shù)的非線性Compton散射,也存在一個(gè)臨界值,如果初始夾角大于這個(gè)臨界值則電子的能量轉(zhuǎn)化成光能,如果初始夾角小于這個(gè)臨界值則光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。背散射譜的分布取決于散射前電子能量和光場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)比情況;對(duì)于雙光子情況,當(dāng)光場(chǎng)的歸一化強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電子能量時(shí)得出的臨界值與第二章的結(jié)果一樣,并且當(dāng)光強(qiáng)提高時(shí),臨界值變